Revoluția ultravioletă: În interiorul mașinilor invizibile de 150 de milioane de dolari care modelează viitorul microcipurilor

Mașinile de litografie ultravioletă costă peste 150 de milioane de dolari fiecare și au dimensiunea unui autobuz.
Observatorii industriei au poreclit cea mai recentă generație a acestor unelte „mașinile care au salvat Legea lui Moore” deoarece permit procesoare moderne de ultimă generație.
ASML este singurul furnizor de sisteme de litografie EUV, cu unelte EUV care costă în jur de 150–180 de milioane de dolari fiecare.
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC) a implementat pentru prima dată EUV la scară largă pe procesul său de 7nm+ (N7+) în 2019.
Litografia cu ultraviolete extreme folosește lumină de 13,5 nm produsă prin tragerea unui laser de mare putere asupra picăturilor de staniu pentru a crea plasmă care emite radiație EUV, cu un consum de energie al uneltei ce depășește 1 megawatt.
ASML a livrat primul instrument High-NA EUV, EXE:5200, în 2025, care ridică apertura numerică la 0,55 și vizează aproximativ 175 de waferi pe oră.
Primele cipuri comerciale EUV au apărut în 2019, cu procesul de 7nm+ (N7+) al TSMC și 7LPP al Samsung folosind EUV.
Controalele la export blochează ASML să vândă EUV către China, în timp ce vânzările ASML către China în 2024 au fost de aproximativ 7 miliarde de dolari, majoritatea provenind din unelte DUV.
Nikon și Canon s-au retras din dezvoltarea EUV; Nikon continuă să furnizeze scanere de imersiune la 193 nm, în timp ce Canon se concentrează pe litografia nanoimprint (NIL) cu livrări de test în 2024.
DRAM-ul Samsung de clasă 14 nm folosește EUV pe mai multe straturi, iar Micron plănuiește EUV pentru următorul său nod DRAM.

Fiecare microprocesor modern – de la cipul din smartphone-ul tău până la procesoarele care alimentează AI-ul din cloud – se naște sub lumină ultravioletă. De fapt, unele dintre cele mai avansate mașini de fabricație de pe Pământ proiectează lasere ultraviolete invizibile pe waferi de siliciu pentru a grava circuitele la scară nanometrică care fac microcipurile să funcționeze. Aceste mașini costă peste 150 de milioane de dolari fiecare, au dimensiunea unui autobuz și operează cu o complexitate aproape SF – totuși, ele sunt motoarele neștiute din spatele Legii lui Moore și a progresului continuu către procesoare mai rapide, mai mici și mai eficiente ^[1], ^[2]. Observatorii industriei au poreclit chiar cea mai recentă generație a acestor unelte „mașinile care au salvat Legea lui Moore”, deoarece fără ele, fabricarea cipurilor de ultimă generație ar fi practic imposibilă ^[3]. Acest raport explorează lumea litografiei ultraviolete – atât în forma sa tradițională ultraviolet profund (DUV), cât și în cea de ultimă generație ultraviolet extrem (EUV) – explicând cum funcționează, de ce este atât de critică pentru dezvoltarea microprocesoarelor și încotro se îndreaptă.

Litografia ultravioletă poate părea o inginerie ezoterică, dar impactul ei este foarte real și vizibil în viața noastră de zi cu zi. Prin imprimarea unor modele din ce în ce mai fine de tranzistori pe siliciu, litografia UV permite direct ritmul remarcabil de îmbunătățire al industriei tehnologice. După cum a spus direct un analist din domeniu, „Legea lui Moore practic se destramă, iar fără această mașină, dispare. Nu poți produce cu adevărat niciun procesor de ultimă generație fără EUV.”^[4] Cu alte cuvinte, viitorul microcipurilor – și al tuturor dispozitivelor și inovațiilor pe care le alimentează – depinde acum de valorificarea luminii la lungimi de undă extrem de mici. Mai jos, vom explica cum funcționează această imprimare bazată pe lumină, cum a evoluat spre cea mai nouă tehnologie EUV, cine sunt jucătorii principali (de la producătorul olandez de echipamente ASML la giganți ai cipurilor precum TSMC, Samsung și Intel), descoperirile recente (precum mașinile EUV de nouă generație și tehnicile alternative) și ce spun experții din industrie despre drumul care urmează.

Ce este litografia ultravioletă?

În esență, litografia în fabricarea cipurilor este asemănătoare cu fotografia pe siliciu. O plachetă de siliciu este acoperită cu un material fotosensibil (fotorrezist), iar o mașină folosește lumină focalizată pentru a proiecta modele complexe de circuite pe acea plachetă printr-o mască asemănătoare unui șablon. Modelele corespund tranzistorilor minusculi și cablajului care alcătuiesc un microprocesor. Oriunde lovește lumina, rezistul este modificat chimic astfel încât acele regiuni pot fi gravate sau procesate, în timp ce zonele acoperite rămân protejate. Prin repetarea acestui proces strat cu strat, cu o precizie extremă, producătorii de cipuri construiesc arhitectura complexă a unui circuit integrat modern.

Cheia pentru rezoluție în acest proces de „imprimare” este lungimea de undă a luminii. Așa cum o pensulă mai fină permite unui artist să picteze detalii mai mici, o lungime de undă mai scurtă a luminii permite producătorilor de cipuri să graveze caracteristici mai fine. Timp de decenii, industria semiconductorilor a avansat constant către lungimi de undă mai scurte pe spectrul electromagnetic pentru a imprima tranzistori din ce în ce mai mici ^[5]. Primele cipuri din anii 1960 foloseau lumină vizibilă și UV lung (g-line la 436 nm, i-line la 365 nm), dar până în anii 1990 tehnologia de vârf a trecut în domeniul ultravioletului profund cu lasere excimer puternice la 248 nm (KrF) și mai târziu 193 nm (ArF)^[6]. Lumina la 193 nm – aproximativ 1/5 din lungimea de undă a luminii vizibile – a devenit standardul pentru fabricarea cipurilor în anii 2000 și 2010. Această litografie UV profundă (DUV) a permis realizarea unor caracteristici minime de ~50 nm și mai mici, mai ales după introducerea unor tehnici precum lentilele de imersie și expunerile multiple ^[7]. De fapt, „litografia cu laser excimer” la 248 nm și 193 nm a avut atât de mult succes încât a susținut Legea lui Moore timp de aproximativ două decenii, permițând reducerea continuă a dimensiunii tranzistorilor și dublarea densității cipurilor conform programului ^[8].

Totuși, spre sfârșitul anilor 1990 și începutul anilor 2000, inginerii știau că se apropiau de un zid al lungimii de undă cu lumina de 193 nm ^[9]. Pentru a modela caracteristici mult mai mici decât ~40–50 nm, litografia la 193 nm a trebuit să recurgă la metode din ce în ce mai complicate: trucuri optice exotice, pași de multiple-patterning (expunerea aceluiași strat de mai multe ori cu măști decalate pentru a obține un pas efectiv mai fin) și alte soluții ingenioase ^[10], ^[11]. Aceste tehnici au prelungit viața echipamentelor DUV (de fapt, producătorii de cipuri au împins 193 nm până la noduri comercializate ca 10 nm sau chiar 7 nm folosind dublă, triplă sau cvadruplă expunere), dar cu prețul unei complexități uriașe, randament mai scăzut și costuri de producție explozive. Până la mijlocul anilor 2010, era clar că DUV tradițional se chinuia să meargă mai departe – industria avea nevoie de un salt la o lungime de undă mai scurtă a luminii pentru a menține Legea lui Moore pe drumul cel bun ^[12].

Litografia Deep Ultraviolet (DUV): Calul de povară

Litografia Deep UV (folosind lasere de ~248 nm și 193 nm) a fost tehnologia de bază pentru fabricarea cipurilor timp de multe generații. Echipamentele DUV sunt practic sisteme de imagistică proiectată extrem de precise: acestea proiectează un laser UV printr-o mască fotolitografică și o serie de lentile de reducere pentru a arunca o imagine miniaturizată pe waferul de siliciu. Sistemele moderne de 193 nm chiar umplu spațiul dintre lentilă și wafer cu apă ultra-pură (litografie cu imersie) pentru a crește efectiv apertura numerică a lentilei și a rezolva caracteristici mai mici ^[13]. Folosind aceste metode, litografia cu imersie la 193 nm a devenit capabilă să imprime caracteristici mult sub lungimea sa de undă nominală – dar doar prin utilizarea tehnicilor de îmbunătățire a rezoluției și a expunerilor repetate. De exemplu, înainte de apariția EUV, cipurile de vârf la nodul de 7 nm erau realizate cu DUV folosind patru pași de mască separați pentru un singur strat (cvadruplă expunere) – un exercițiu uluitor de complexitate în aliniere de precizie.

Litografia DUV este foarte matură și fiabilă. Echipamentele DUV de la companii precum ASML, Nikon și Canon gestionează încă majoritatea straturilor în fabricarea cipurilor astăzi (chiar și în fabricile de ultimă generație, doar cele mai critice straturi folosesc EUV, în timp ce straturile mai puțin critice continuă să utilizeze multiple expuneri DUV). Aceste mașini sunt, de asemenea, semnificativ mai ieftine decât cele mai noi echipamente EUV – un scanner DUV de top cu imersiune poate costa în jur de 50–100 milioane de dolari, în timp ce un echipament EUV ajunge la peste 150 de milioane de dolari ^[14]. Drept urmare, echipamentele DUV rămân indispensabile nu doar pentru cipurile de generație mai veche (unde dimensiunile caracteristicilor sunt mai mari și mai ușor de imprimat), ci și ca un complement pentru EUV în procesele avansate. De fapt, vânzările de DUV reprezintă încă cea mai mare parte a unităților de echipamente de litografie livrate anual ^[15]. Producătorii de cipuri au o bază instalată masivă de scannere DUV și un know-how extins în utilizarea acestora.

Totuși, în ciuda îmbunătățirilor continue, DUV la 193 nm a atins o limită fundamentală în ceea ce privește cât de mult se mai putea micșora fără eforturi insuportabile. Rezoluția practică în litografia optică urmează aproximativ criteriul Rayleigh: dimensiunea minimă a caracteristicii ≈ k₁ · (λ/NA), unde λ este lungimea de undă și NA este deschiderea lentilei. Cu λ fixat la 193 nm și NA la maximum în jur de 1,35 (imersiune), producătorii de cipuri au redus k₁ la limitele sale teoretice folosind trucuri computaționale – dar pentru a continua micșorarea dimensiunii caracteristicii, λ însăși trebuia să scadă. În jurul anului 2019, fabrici de top precum TSMC și Samsung au introdus comercial o nouă sursă de lumină pentru litografie la 13,5 nm lungime de undă – de aproape 15× mai scurtă decât cei 193 nm ai DUV ^[16]. Acest lucru a marcat începutul erei ultravioletului extrem în litografie.

Trecerea la litografia cu ultraviolete extreme (EUV)

Litografia cu ultraviolete extreme (EUV) folosește lumină cu o lungime de undă mult mai scurtă – 13,5 nm, la granița dintre UV și raze X – pentru a expune cipurile. Prin trecerea la această “pensulă” mult mai fină, EUV poate imprima tranzistori și caracteristici mult mai mici dintr-o singură expunere, evitând multe dintre pașii complicați de multi-patterning necesari de DUV la nodurile avansate ^[17]. În termeni practici, litografia EUV a permis fabricarea pe scară largă a cipurilor la generațiile tehnologice de 7 nm, 5 nm și 3 nm, cu mult mai puțini pași de proces și randamente mai bune decât o abordare complet DUV. De exemplu, TSMC din Taiwan a folosit EUV pe câteva straturi critice începând cu procesul său de 7 nm+ (N7+) în 2019 – primul proces comercial care a folosit EUV ^[18] – și apoi extensiv pentru nodurile sale de 5 nm care alimentează procesoare precum cipurile Apple A15 și A16 Bionic pentru smartphone-uri ^[19]. Samsung, la fel, a început producția în masă cu EUV la începutul lui 2019 pe procesul său 7LPP și de atunci a implementat EUV pentru 5 nm și chiar la fabricarea cipurilor de memorie^[20], ^[21]. Aceste mișcări au schimbat regulile jocului: folosind lumina de 13,5 nm, producătorii de cipuri au putut imprima caracteristici cu single-pattern dintr-o singură expunere, care anterior necesitau mai multe treceri DUV, simplificând fabricarea și permițând o densitate a tranzistorilor mai mare ca niciodată^[22].

Totuși, litografia EUV nu a fost o revoluție ușoară. A fost nevoie de peste două decenii de cercetare și de aproximativ 9–10 miliarde de dolari investiți în cercetare și dezvoltare pentru a face EUV viabilă pentru producția la scară largă ^[23]^[24]. Provocările au fost imense deoarece lumina de 13,5 nm se comportă foarte diferit față de lumina de 193 nm. În primul rând, niciun material nu este transparent la 13,5 nm – nu poți folosi lentile refractive sau măști convenționale din sticlă. În schimb, sistemele EUV folosesc un sistem optic complet pe bază de oglinzi: o serie de oglinzi multistrat cu acoperiri speciale care reflectă lumina de 13,5 nm (fiecare oglindă reflectă doar o parte din lumină, astfel că, folosind mai multe oglinzi, intensitatea scade dramatic) ^[25]. Fotomască este, de asemenea, un substrat oglindă reflectorizant, nu o placă de sticlă transparentă. Toate acestea trebuie să funcționeze în vid (aerul ar absorbi EUV). Pe scurt, scanerele EUV reprezintă o reproiectare completă a sistemului optic față de instrumentele DUV, implicând optică exotică și precizie extremă.

Apoi există sursa de lumină: cum generezi, de fapt, lumină ultravioletă de intensitate mare la 13,5 nm? Răspunsul pare desprins dintr-un film SF: instrumentele EUV creează lumină trăgând cu un laser de mare putere în impulsuri asupra unor picături minuscule de staniu topit, de 50.000 de ori pe secundă ^[26], ^[27]. Fiecare impuls laser vaporiză o picătură de staniu într-un plasmă extrem de fierbinte care emite radiație EUV – practic, o explozie miniaturală asemănătoare unei stele care are loc în interiorul mașinii. Aceste explozii de plasmă produc lumina dorită de 13,5 nm împreună cu multă altă radiație și resturi nedorite, așa că sistemul trebuie să filtreze și să colecteze lungimea de undă potrivită și să protejeze tot restul. Lumina EUV este apoi focalizată de oglinzile optice și direcționată pe wafer în modele. Este un proces extrem de ineficient din punct de vedere al generării luminii (o mare parte din energie se pierde sub formă de căldură), motiv pentru care laserul care alimentează sursa trebuie să fie incredibil de puternic. Sursa de lumină a unui scanner EUV poate consuma în jur de >1 megawatt de putere pentru a furniza suficient flux de fotoni EUV pentru producția la scară mare ^[28]. Prin comparație, un laser excimer de 193 nm folosește doar o fracțiune din această putere. Acest lucru explică de ce instrumentele EUV au cerințe masive de energie și răcire, și de ce tehnici alternative precum litografia nanoimprint (care nu folosește deloc lasere) promit economii de energie de ~90% ^[29].

Complexitatea nu se oprește aici. Deoarece fotonii EUV sunt atât de energetici, pot induce efecte stocastice subtile în fotoresist (variații aleatorii care pot cauza defecte dacă nu sunt atenuate), iar măștile EUV nu pot fi protejate ușor de peliculele obișnuite (dezvoltarea unor pelicule speciale pentru EUV a fost un alt efort de mai mulți ani). Fiecare componentă a sistemului – de la etapele de vid, la poziționarele wafer cu 6 grade de libertate care se mișcă cu metri pe secundă, până la inspecția defectelor acelor oglinzi multistrat – a împins limitele ingineriei. „Este o tehnologie foarte dificilă – ca nivel de complexitate probabil se află în categoria Proiectului Manhattan,” a remarcat directorul de litografie al Intel, ilustrând cât de dificil a fost să fie dezvoltat EUV ^[30].

De mulți ani, numeroși experți se îndoiau că EUV va funcționa vreodată la timp. Jucători importanți precum Nikon și Canon au renunțat la cercetarea EUV după ce au întâmpinat prea multe obstacole, lăsând ASML (Olanda) ca singura companie care împinge tehnologia mai departe^[31]^[32]. Pariul ASML a dat în cele din urmă roade – dar nu fără ajutor. În 2012, recunoscând importanța strategică a EUV, marii producători de cipuri Intel, TSMC și Samsung au investit împreună aproximativ 4 miliarde de dolari în ASML pentru a accelera dezvoltarea EUV ^[33]. Până în 2017, ASML a prezentat în sfârșit un scanner EUV pregătit pentru producție (modelul NXE:3400B), iar până în 2019 primele cipuri comerciale realizate cu EUV au început să apară ^[34]^[35]. Observatorii industriei l-au salutat ca pe un moment de cotitură – revoluția EUV, mult întârziată, a sosit la timp pentru a extinde foaia de parcurs a semiconductorilor. După cum a remarcat MIT Technology Review, instrumentul EUV al ASML este „un dispozitiv râvnit… folosit la fabricarea unor caracteristici de microcipuri de doar 13 nanometri… plin cu 100.000 de mecanisme minuscule… este nevoie de patru avioane 747 pentru a livra unul către un client” ^[36]. Pe scurt, scannerele EUV sunt minuni ale ingineriei moderne care aduc lumina ultravioletă la o scară și o complexitate nemaivăzute până acum.

De ce contează litografia UV pentru microprocesoare

Răsplata pentru toată această complexitate este simplă: tranzistori mai mici și performanță mai mare a cipului. Prin imprimarea unor caracteristici mai fine, producătorii de cipuri pot înghesui mai mulți tranzistori în aceeași suprafață (ceea ce înseamnă de obicei mai multă putere de calcul sau un cost mai mic per cip) și pot reduce capacitățile electrice și distanțele pe care trebuie să le parcurgă semnalele (ceea ce înseamnă viteze de comutare mai rapide și consum de energie mai redus). Aceasta este esența Legii lui Moore – micșorarea dimensiunilor tranzistorilor pentru a înghesui mai mulți în fiecare generație de cipuri – iar litografia este facilitatorul fundamental al acestui progres ^[37], ^[38]. Când auziți despre un nou cip de smartphone fabricat pe un „proces de 3 nm” sau un CPU de server pe „tehnologie EUV de 5 nm”, aceste numere reflectă în mare parte capacitățile litografiei avansate de a defini caracteristici extrem de mici (deși denumirile nodurilor sunt într-o oarecare măsură de marketing, ele corelează cu îmbunătățirile de densitate pe care EUV le-a făcut posibile).

Importanța litografiei ultraviolete este poate cel mai bine ilustrată dacă ne gândim ce s-ar fi întâmplat fără aceste progrese. Dacă industria ar fi rămas doar la DUV de 193 nm, producătorii de cipuri ar fi putut totuși să găsească modalități de a realiza cipuri foarte puternice – dar ar fi avut nevoie de atât de mulți pași de procesare repetitivi (și o complexitate care ar reduce randamentul) încât costurile ar fi explodat, iar progresul s-ar fi încetinit dramatic. De fapt, pe la mijlocul anilor 2010, unii preziceau sfârșitul iminent al Legii lui Moore deoarece litografia optică ajunsese la limită. EUV a venit exact la timp pentru a oferi o nouă șansă. Prin restabilirea unui modelaj mai simplu, cu o singură expunere, la vârful tehnologiei, EUV a extins foaia de parcurs a miniaturizării pentru cel puțin câteva generații în plus. O mulțime dintre cele mai avansate cipuri de astăzi își datorează existența EUV-ului. De exemplu, cele mai noi procesoare pentru smartphone-uri din seria A și cipurile Mac din seria M de la Apple sunt fabricate de TSMC folosind procese EUV de 5 nm, permițând un număr de tranzistori de ordinul zecilor de miliarde și salturi majore în viteză și eficiență față de generațiile anterioare ^[39]. Procesoarele și plăcile grafice Ryzen de la AMD, multe dintre ele fabricate pe noduri TSMC de 7 nm sau 5 nm EUV, beneficiază de asemenea de creșterea densității și economiile de energie. Chiar și cele mai avansate acceleratoare AI și procesoare pentru centre de date – cele care alimentează modelele AI la scară largă – se bazează pe procese EUV de 5 nm/4 nm pentru a înghesui dens motoarele de calcul matricial și a gestiona termicile de putere.

Nu este vorba doar despre cipuri logice. Cipurile de memorie beneficiază, de asemenea, de pe urma progreselor în litografia UV. Producătorii de DRAM de înaltă performanță au început să folosească EUV pentru anumite straturi critice în cele mai noi generații ale lor (de exemplu, DRAM-ul Samsung de clasă 14 nm folosește EUV pe mai multe straturi) pentru a crește densitatea de biți și a îmbunătăți randamentul ^[40]. Micron introduce, de asemenea, EUV în următorul său nod DRAM. Mai multe straturi EUV în memorie înseamnă mai mulți gigabiți de stocare per cip și un cost mai mic per bit, ceea ce înseamnă, în final, mai multă memorie în dispozitivele tale la același preț. De fapt, CEO-ul ASML, Peter Wennink, a subliniat că cererea în creștere pentru AI și date îi determină pe producătorii de memorie să adopte rapid EUV – „Producătorii de DRAM folosesc mai multe straturi EUV pe nodurile actuale și viitoare”, a menționat el, ceea ce stimulează cererea pentru aceste echipamente la nivelul întregii industrii ^[41].

Pe scurt, litografia UV afectează direct capabilitatea microprocesoarelor. Capacitatea de a fabrica tranzistori mai mici nu doar că permite integrarea unui număr mai mare de nuclee sau cache pe un cip, dar poate și reduce energia necesară pentru comutarea fiecărui tranzistor. Acesta este motivul pentru care fiecare nouă generație de proces aduce adesea un câștig de performanță de 15–30% și o reducere a consumului de energie de 20–50% la același design, sau, alternativ, permite dublarea sau chiar mai mult a densității de tranzistori. De exemplu, trecerea TSMC de la un proces de 7 nm (în mare parte DUV) la 5 nm (EUV) a oferit aproximativ o creștere de 1,8× a densității logice și ~15% creștere a vitezei la aceeași putere ^[42]. Aceste îmbunătățiri se traduc în smartphone-uri mai rapide, centre de date mai eficiente și progrese în sarcinile de calcul de înaltă performanță. Litografia ultravioletă este mâna invizibilă care sculptează aceste îmbunătățiri în siliciu. După cum a rezumat un director de cercetare din industrie: „Fără EUV, practic nu poți fabrica procesoare de ultimă generație”^[43] – atât de esențială este pentru a rămâne pe curba progresului.

Stadiul actual al tehnologiei și principalii jucători

În 2025, litografia ultravioletă se află în centrul fiecărei fabrici avansate de cipuri, fiind dominată de câțiva jucători și tehnologii cheie. Iată o privire asupra peisajului actual și a principalelor forțe care îl modelează:

ASML (Olanda) – Pilonul litografiei. ASML este singurul furnizor de sisteme de litografie EUV la nivel global ^[44]. La sfârșitul anilor 2010 a devenit prima (și singura) companie care a comercializat scanere EUV, după ce concurenții s-au retras ^[45]. Uneltele sale EUV (fiecare costând în jur de 150–180 milioane de dolari ^[46], ^[47]) sunt folosite de fiecare producător de cipuri de ultimă generație. ASML produce, de asemenea, scanere DUV (unde concurează cu Nikon/Canon pentru cota de piață). Datorită EUV, ASML a devenit una dintre cele mai valoroase companii de echipamente semiconductoare din lume – deținând practic un monopol asupra celei mai avansate tehnologii de litografie. O singură fabrică de ultimă generație poate avea nevoie de o flotă de 10–20 de mașini EUV ASML, reprezentând o investiție de mai multe miliarde de dolari. Începând cu 2021, peste 100 de unelte EUV erau deja pe piață ^[48], iar acest număr continuă să crească pe măsură ce TSMC, Samsung și Intel extind utilizarea EUV. (Notabil, controalele la export împiedică în prezent ASML să vândă mașini EUV către China, din cauza importanței lor strategice ^[49].)
TSMC (Taiwan) – Pionier Foundry în EUV. TSMC este cel mai mare producător de cipuri la comandă din lume și a fost primul care a implementat EUV în producția de volum (noda sa de 7nm+ „N7+” din 2019 a fost primul proces EUV din industrie) ^[50]. De atunci, TSMC a folosit pe scară largă EUV pentru generația sa de 5 nm (2019–2020) și nodurile de 4 nm/3 nm, producând cipuri pentru Apple, AMD, Nvidia și mulți alții cu randamente de clasă mondială. Folosind EUV pe un număr de straturi critice, TSMC a obținut creșterile de densitate care definesc aceste noduri. Leadership-ul TSMC în stăpânirea timpurie a EUV este un motiv important pentru care a depășit Intel în tehnologia de proces în ultimii ani. Privind spre viitor, TSMC plănuiește să continue utilizarea actualului EUV (0.33 NA) prin nodurile sale de 3 nm și chiar 2 nm, și evaluează EUV de generație următoare pentru mai departe ^[51]. (Interesant, TSMC a indicat că ar putea nu se grăbi să adopte primele unelte High-NA EUV pentru procesele sale din era 2 nm în jurul anilor 2027–2028, preferând să aștepte până când economia are sens ^[52].)
Samsung (Coreea de Sud) – Adoptator de Memorie și Logică. Samsung a adoptat rapid EUV pentru logică, anunțând producția de 7 nm EUV încă din 2019 (procesoarele sale mobile Exynos și unele cipuri Qualcomm Snapdragon au folosit aceste procese). Samsung a fost, de asemenea, pionier în utilizarea EUV în memorie, devenind primul care a folosit EUV în fabricarea DRAM (pentru nodul său DRAM de 1z-nm) și în stratificarea V-NAND ^[53]. Linia de fabricație Samsung capabilă de EUV din Hwaseong a fost un exemplu, iar compania continuă să investească în EUV atât pentru afacerea sa foundry, cât și pentru cea de memorie. La fel ca TSMC, Samsung este client pentru viitoarele High-NA EUV de la ASML, deși rapoartele sugerează că Samsung nu a decis încă când va introduce aceste unelte în producție ^[54]. Între timp, procesele de vârf actuale ale Samsung (5 nm, 4 nm, 3 nm Gate-All-Around tranzistori) utilizează toate EUV pentru a reduce pașii de mascare. Samsung produce încă multe cipuri folosind DUV și unelte mai vechi, dar pentru vârf de gamă este complet dedicat EUV.
Intel (SUA) – În cursa de a reveni în frunte. Intel, mult timp lider în litografie, a întâmpinat întârzieri la nodul său de 10 nm (care folosea DUV avansat cu multi-patterning) și astfel a rămas în urmă la adoptarea EUV. Însă, între timp, a investit masiv pentru a recupera decalajul. Cele mai noi generații de procese ale Intel (denumite „Intel 4”, „Intel 3”, aproximativ echivalente cu clasele ~7 nm și ~5 nm) folosesc litografie EUV pentru mai multe straturi – de exemplu, Intel 4 utilizează EUV în fabricarea viitoarelor procesoare Meteor Lake ale companiei ^[55]. Intel a fost, de asemenea, un investitor timpuriu în ASML și a asigurat acces prioritar la mașinile High-NA EUV ale ASML: a primit prima unealtă High-NA EUV din lume (seria EXE:5000) în 2023 pentru cercetare și dezvoltare și urmează să primească primul echipament High-NA de nivel producție (EXE:5200) până în 2024–2025 ^[56], ^[57]. Intel intenționează să folosească aceste scanere High-NA EUV pentru nodurile sale de 1,8 nm și generația 14Å (~orizont 2027) ca parte a planului său ambițios de a recâștiga poziția de lider în procese ^[58], ^[59]. Cu o nouă conducere la nivel de CEO, Intel își promovează deschis adoptarea EUV și chiar servicii ca foundry folosind EUV pentru a produce cipuri pentru alte companii în viitorul apropiat.
Nikon și Canon (Japonia) – Veterani ai DUV, explorând alternative. Nikon și Canon au fost cândva furnizori dominanți de echipamente de litografie (în anii 1990, Nikon în special era lider în steppere de ultimă generație). Ei continuă să producă unelte de litografie DUV – de fapt, timp de mulți ani Nikon a furnizat mașini către Intel și producători de memorii. Dar niciuna dintre companii nu a livrat o soluție EUV: ambele s-au retras din dezvoltarea EUV după cercetările de la începutul anilor 2000, cedând acea piață către ASML ^[60]. Astăzi, Nikon încă vinde scanere cu imersiune de 193 nm pentru producție de volum mare (folosite mai ales în fabrici non-leading-edge sau ca unelte complementare), în timp ce Canon s-a concentrat pe nișe specializate precum litografia nanoimprint (NIL). Noile mașini NIL ale Canon încearcă să „ștampileze” mecanic modelele de cipuri și pretind un cost de ordinul magnitudinii mai mic și un consum de energie cu 90% mai redus decât uneltele EUV^[61]^[62]. Canon a început livrarea primelor sale unelte NIL pentru testare în 2024 ^[63]. Unii văd NIL ca o potențială tehnologie disruptivă pentru anumite aplicații (ar putea fi folosită alături de litografia convențională pentru straturi mai simple sau dispozitive de memorie), dar nu este încă dovedită pentru producția de volum mare, cu cea mai mare densitate logică ^[64]. Pentru moment, Nikon și Canon rămân semnificative în domeniul DUV (și pentru noduri mai vechi), dar ASML are un monopol efectiv asupra litografiei avansate necesare pentru microprocesoarele de ultimă generație.
Aspiratiile Chinei – Reducerea decalajului sub restricții. China, care găzduiește fabrici majore de cipuri precum SMIC, nu are în prezent acces la tehnologia EUV – ASML nu a avut niciodată permisiunea să vândă scanere EUV către China din cauza restricțiilor la export impuse de SUA cnfocus.com. Chiar și vânzările celor mai noi echipamente DUV cu imersiune ale ASML către China sunt acum supuse licențierii de către guvernul olandez începând cu 2023 ^[65]. Acest lucru a stimulat eforturile Chinei de a dezvolta litografie indigenă. Compania chineză de top în echipamente de litografie, SMEE (Shanghai Micro Electronics Equipment), ar fi construit mașini capabile de litografie DUV de 90 nm și 28 nm, dar nimic apropiat de EUV încă (EUV implică un ecosistem vast de brevete și probleme fizice dificile). Drept urmare, fabricile chineze precum SMIC au reușit să producă un cip asemănător cu 7 nm folosind vechea tehnologie DUV cu multiple patterning, dar rămân cu câteva generații în urmă față de vârful de lance care necesită EUV. Tendințele pieței globale sunt astfel profund legate de geopolitică: echipamentele de litografie au devenit un activ strategic. În 2024, vânzările ASML către China (în principal echipamente DUV) au fost de aproximativ 7 miliarde de dolari ^[66], dar creșterea viitoare este incertă din cauza înăspririi controalelor la export. Între timp, cererea crește puternic în alte părți, astfel că ASML estimează că afacerea sa cu EUV va crește cu ~30% în 2025, în ciuda potențialelor dificultăți legate de China ^[67], ^[68].

Provocări și progrese recente

Deși litografia ultravioletă a permis progrese remarcabile, ea se confruntă și cu provocări semnificative care stimulează inovația continuă. Iată câteva puncte cheie de dificultate și progresele recente care le abordează:

Costul și complexitatea echipamentelor: Prețul scannerelor EUV (~150 de milioane de dolari sau mai mult fiecare) și complexitatea lor ridicată cresc bariera de intrare pentru producătorii de cipuri ^[69]. Doar câteva companii își pot permite flote uriașe de astfel de echipamente. Pentru a justifica costul, fabricile trebuie să aibă o utilizare ridicată și un randament mare. Progres: Următoarea generație de echipamente High-NA EUV este și mai scumpă (>300 de milioane de dolari fiecare) ^[70], dar promite un randament și o rezoluție mai mari, ceea ce ar putea reduce costul per tranzistor. În plus, eforturile în domeniul învățării automate și al litografiei computaționale ajută la maximizarea performanței fiecărui echipament (prin îmbunătățirea fidelității modelelor și a ferestrelor de proces).
Randament (viteza scannerului): Primele echipamente EUV procesau mai puține wafer-uri pe oră decât omoloagele lor DUV, parțial din cauza puterii limitate a sursei și a opticii mai delicate. Randamentul scăzut înseamnă productivitate mai mică a fabricii. Progres: Puterea sursei EUV a crescut constant (sursele de astăzi depășesc 250 W, față de ~125 W la primele echipamente de producție), iar cele mai noi scannere EUV de la ASML pot expune ~160 wafer-uri/oră în condiții optime. Viitoarele sisteme High-NA EUV vor avea optică reproiectată cu o deschidere numerică mai mare 0,55 vs 0,33, ceea ce îmbunătățește rezoluția, dar inițial reduce dimensiunea câmpului. Pentru a compensa, ASML proiectează aceste echipamente pentru a atinge în cele din urmă un randament de ~185 wafer-uri/oră. De fapt, ASML tocmai a livrat primul său model High-NA EUV (EXE:5200) în 2025 și spune că va oferi o creștere a productivității cu 60% față de echipamentele EUV actuale – aproximativ 175 wafer-uri/oră, ceea ce este comparabil cu scannerele DUV ^[71].
Defecte și randament: Deoarece EUV folosește măști reflectorizante și operează la dimensiuni nano, controlul defectelor este o preocupare majoră. Defecte sau particule minuscule pe mască pot fi imprimate pe wafer, iar fotoresisturile EUV și procesul pot prezenta defecte aleatorii (probleme stocastice) dacă nu sunt optimizate. Progres: Industria a dezvoltat pelicule de protecție pentru măști pentru EUV (pentru a împiedica particulele să ajungă pe mască) după multe iterații. Chimia fotoresistului evoluează și ea – noi materiale de rezist și tehnici de substrat au îmbunătățit sensibilitatea și rugozitatea marginilor. Producătorii de cipuri raportează că problemele inițiale de randament cu EUV au fost în mare parte depășite, iar ratele de defect sunt comparabile cu cele ale nodurilor anterioare ^[72]. Totuși, cercetătorii continuă să perfecționeze tehnologia rezistului și a măștilor (inclusiv explorarea rezisturilor pe bază de oxid metalic și alte abordări noi pentru EUV).
Consum de energie: După cum s-a menționat, scanerele EUV sunt mari consumatoare de energie – fiecare poate consuma în jur de un megawatt de electricitate între sursa laser, pompele de vid și sistemele de răcire ^[73]. Acest lucru contribuie la costul operațional considerabil și crește amprenta de mediu a fabricilor. Progres: Metode alternative de litografie precum Nanoimprint urmăresc să reducă drastic consumul de energie (Canon susține o reducere cu 90% a consumului) ^[74]. Chiar și în cadrul EUV, inginerii caută surse mai eficiente (de exemplu, eficiență mai mare de conversie a energiei laser în lumină EUV) astfel încât instrumentele viitoare să producă mai multă lumină cu mai puțină energie de intrare. Chiar și mici îmbunătățiri ale eficienței sursei sau ale reflectivității oglinzilor pot aduce economii semnificative de energie la procesarea a mii de waferi.
Limitele rezoluției optice: Chiar și EUV la 13,5 nm va atinge în cele din urmă limitele de scalare. Instrumentele EUV actuale (0,33 NA) pot realiza confortabil modele cu pas de ~30 nm; dincolo de acest prag, va fi nevoie de multiple patterning sau de High-NA EUV pentru nodul de ~2 nm și mai jos. Progres: High-NA EUV este practic următorul mare pas – prin creșterea NA a lentilei la 0,55 cu un nou design optic (care, notabil, necesită o nouă dimensiune de mască de 6 inch și o platformă complet nouă de instrumente), aceste sisteme vor putea rezolva caracteristici cu ~30–40% mai mici ^[75]. ASML spune că High-NA EUV ar putea aproape să tripleze densitatea de tranzistori pe cipuri, permițând caracteristici mai fine și pași mai strânși ^[76]. Primele instrumente High-NA EUV sunt programate pentru utilizare pilot de către Intel în jurul anilor 2025–2026, vizând utilizarea la scară largă până în ~2028 ^[77]. Această extindere ar trebui să ducă industria prin nodurile de 2 nm, 1,5 nm și 1 nm (în ciuda denumirii, acestea vor implica pași de caracteristici de ordinul zecilor mici de nanometri). Dincolo de acest punct, pot fi necesare alte abordări (precum conceptele “Beyond EUV” la lungimi de undă și mai scurte sau metode revoluționare de patterning).
Tehnici alternative de litografie: Concentrarea capacității critice de litografie într-o singură companie (ASML) și o singură tehnologie (EUV) a stârnit interesul pentru tehnici alternative sau auxiliare. Progres: Pe lângă NIL-ul Canon, există cercetări asupra Directed Self-Assembly (DSA) – folosirea unor materiale speciale care formează spontan modele foarte fine, ce pot completa litografia pentru anumite structuri. O altă abordare este litografia multiphoton sau cuantică, aflată încă în mare parte la nivel academic. Litografia cu fascicul de electroni (e-beam) (scriere directă cu fascicule de electroni) este folosită pentru realizarea de măști și prototipuri, dar este prea lentă pentru producția de masă. Totuși, companiile explorează instrumente e-beam cu fascicule multiple pentru modelare de nișă. Aceste alternative, dacă vor ajunge la maturitate, ar putea într-o zi să reducă presiunea asupra litografiei optice sau să scadă costurile pentru unele straturi. Pentru moment, ele sunt „nice to have” la nivel de cercetare, în timp ce litografia optică UV rămâne pilonul indispensabil.

Perspectivele experților și privirea spre viitor

Consensul printre experții din industrie este că litografia ultravioletă va continua să fie elementul-cheie al fabricării cipurilor în viitorul previzibil, deși cu o evoluție continuă. „Continuăm să proiectăm și să dezvoltăm… există o curbă de învățare abruptă pentru noi și clienții noștri,” a declarat un purtător de cuvânt ASML referitor la lansarea High-NA EUV, subliniind că fiecare nou salt (precum High-NA) necesită ajustări ample ^[78]. Analiștii avertizează, de asemenea, că eficiența costurilor va ghida adoptarea: „Deși unii producători de cipuri pot introduce [High-NA EUV] mai devreme pentru a obține un avantaj tehnologic, majoritatea nu îl vor adopta până când nu va avea sens economic,” a remarcat Jeff Koch de la SemiAnalysis, prezicând că majoritatea vor aștepta până în jurul anului 2030, când avantajul va justifica cheltuiala^[79]. Ca răspuns, CEO-ul ASML, Peter Wennink, insistă că High-NA își va dovedi valoarea mai devreme: „Tot ce vedem la clienți este că High-NA este mai ieftin [pentru ei]” pentru a atinge următorul nivel de miniaturizare ^[80]. Această perspectivă optimistă sugerează că, pe măsură ce complexitatea crește, litografia mai avansată ar putea de fapt să reducă costurile totale prin eliminarea unor etape suplimentare de proces.

Nu se poate sublinia îndeajuns rolul central al ASML – un fapt care nu a scăpat atenției guvernelor. Într-o lume în care cipurile de ultimă generație conferă avantaje economice și militare, echipamentele de litografie au devenit un activ strategic. Guvernul olandez (cu sprijinul SUA) a limitat strict exporturile ASML de unelte avansate către China ^[81], o măsură menită să “împiedice ambițiile Beijingului în domeniul semiconductorilor”^[82]. Acest lucru a dus la o bifurcare a lanțului global de aprovizionare cu cipuri: cele mai avansate cipuri logice sunt produse în prezent doar în câteva locuri (Taiwan, Coreea de Sud și, în curând, SUA prin fabricile TSMC/Intel), toate folosind mașinile EUV ale ASML. China investește masiv pentru a recupera decalajul la nodurile mai vechi și pentru a dezvolta litografie autohtonă, dar experții estimează că ar putea dura mulți ani pentru a ajunge la paritate, dacă se va întâmpla vreodată, având în vedere barierele ridicate de cunoaștere și proprietate intelectuală.

Între timp, cererea pentru unelte de litografie UV este în creștere odată cu boom-ul semiconductorilor. Creșterea AI și a calculului de înaltă performanță determină fabricile de top să își extindă capacitatea. Cărțile de comenzi ale ASML pentru unelte EUV au atins niveluri record – într-un trimestru recent, comenzile au crescut la 10 miliarde de dolari, în mare parte pentru sisteme EUV și High-NA viitoare ^[83]. Compania prognozează că veniturile din EUV vor crește cu ~40–50% în 2025 ^[84], ajutând la creșterea vânzărilor totale în ciuda cererii mai lente din partea memoriei sau a Chinei ^[85]. Cu alte cuvinte, piața litografiei de ultimă generație este robustă și în creștere, ASML așteptându-se să livreze zeci de unități EUV în plus în fiecare an. Până în 2030, High-NA EUV va fi probabil în plină expansiune, iar discuțiile se vor îndrepta spre ce va urma după era EUV.

Ce ar putea urma? Unii cercetători vorbesc despre „Dincolo de EUV” – poate folosind lungimi de undă și mai scurte din gama razelor X moi (~6–8 nm) sau litografie cu proiecție de electroni/ioni – însă fiecare dintre aceste direcții se confruntă cu provocări fizice descurajatoare. Pentru moment, strategia industriei este să valorifice la maximum EUV: mai întâi prin implementarea High-NA EUV pentru încă 1–2 generații de miniaturizare, și prin combinarea EUV cu integrare de proces ingenioasă (precum arhitecturi chiplet și stivuire 3D, care reduc nevoia de miniaturizare monolitică 2D). Litografia va rămâne un amestec de tehnici: DUV nu va dispărea (va fi folosită împreună cu EUV), iar metode noi precum nanoimprint ar putea găsi o nișă pentru a suplimenta procesele principale dacă se dovedesc eficiente. Dar orice schimbare radicală față de litografia optică ar necesita probabil și o schimbare de paradigmă în proiectarea cipurilor – ceva ce nu se întrevede încă pentru producția de volum mare.

În cuvintele președintelui TSMC, Mark Liu, industria semiconductorilor a „lucrat într-un tunel” cu un scop clar timp de decenii: miniaturizare, miniaturizare, miniaturizare ^[86]. Litografia ultravioletă a fost lumina care a ghidat acest tunel. A început cu lămpi cu mercur și UV primitiv, a progresat la lasere excimer deep-UV care ne-au susținut peste 20 de ani ^[87], și acum a ajuns în era extreme-UV, extinzând tunelul și mai departe. Călătoria a fost orice, numai ușoară nu – marcată de momente de triumf și îndoieli frecvente – însă rezultatul este pur și simplu uimitor: miliarde de structuri de doar câteva zeci de atomi lățime, imprimate perfect pe plachete mari, permițând realizări computaționale care păreau imposibile cu o generație în urmă.

Privind spre viitor, dezvoltarea microprocesoarelor este mai strâns legată de litografie ca niciodată. Performanța și capabilitățile următoarelor CPU, GPU și acceleratoare AI vor fi determinate în mare parte de cât de fin și fiabil putem imprima caracteristicile lor. Litografia ultravioletă este instrumentul principal care face acest lucru posibil. Experții din industrie sunt optimiști că, prin inovații continue – de la optică High-NA la software mai inteligent și poate unele idei neconvenționale precum NIL sau DSA – litografia va continua să livreze rezultate. CEO-ul ASML chiar sugerează că foaia de parcurs pentru EUV și extensiile sale este solidă pentru următorul deceniu, oferind producătorilor de cipuri o pistă clară pentru a continua îmbunătățirile. Tendințele pieței globale indică o creștere sănătoasă și o competiție intensă, dar și o concentrare în jurul câtorva tehnologii și furnizori esențiali.

În concluzie, lumea litografiei ultraviolete este o fuziune între fizica și ingineria de ultimă oră cu economie și strategie la cel mai înalt nivel. Poate că operează în domeniul invizibil al luminii UV, dar impactul său este cât se poate de vizibil sub forma unor microprocesoare tot mai puternice, an de an. Data viitoare când auzi despre o nouă descoperire de cip „nanometric”, amintește-ți de revoluția ultravioletă care lucrează în culise. De la deep UV la extreme UV și dincolo, aceste tehnologii chiar modelează viitorul microcipurilor – scriind următoarele rânduri din povestea progresului tehnologic uman, un flash de foton pe rând.

Surse

C. Thompson, „În interiorul mașinii care a salvat Legea lui Moore,” MIT Technology Review, 27 oct. 2021 ^[88]^[89]
Wikipedia, „Fotolitografie – Instrumentele de ultimă generație folosesc lasere excimer UV adânc de 193 nm” ^[90]
M. Chaban, „Iluminând calea: Cum a revitalizat ASML Legea lui Moore,” Google Cloud Blog, 28 mar. 2023 ^[91]^[92]
Orbit Skyline (Semiconductor FAB Solutions Blog), „Explorarea viitorului litografiei EUV și dincolo de aceasta,” 4 nov. 2024 ^[93]
T. Sterling, „Intel comandă un sistem ASML pentru bine peste 340 mil. $ în căutarea unui avantaj în fabricarea cipurilor,” Reuters, 19 ian. 2022 ^[94]
T. Sterling, „Următoarea provocare ASML: lansarea noii sale mașini ‘High NA EUV’ de 350 mil. $,” Reuters, 9 feb. 2024 ^[95]
TrendForce News, „ASML confirmă prima livrare High-NA EUV EXE:5200…”, 17 iul. 2025 ^[96]
T. Sterling, „Guvernul olandez exclude majoritatea vânzărilor ASML către China din datele de export,” Reuters, 17 ian. 2025 ^[97]
A. Shilov, „Noua tehnică de fabricare a cipurilor prin ‘ștanțare’ folosește cu 90% mai puțină energie decât EUV,” Tom’s Hardware, 31 ian. 2024 ^[98]
Samsung Newsroom, „Samsung Electronics începe producția în masă la noua linie EUV,” feb. 2020 ^[99]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. (TSMC), „Tehnologia 7nm FinFET Plus (N7+) – Prima care folosește EUV (2019)” ^[100]
S&P Global Market Intelligence, „ASML pregătită pentru revenirea alimentată de AI pe măsură ce cererea pentru EUV și High-NA crește,” sept. 2023 ^[101]

How Samsung’s Extreme Ultraviolet unlocks the next generation of chips | Engadget Today

Uita-te la acest video de pe YouTube.

References